image
energas.ru

Газовая промышленность № 10 2017

Энергоснабжение и энергосбережение

01.10.2017 11:00 НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ РАЗВИТИЯ УТИЛИЗАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА БУТЭК-0,5 НА ЛИНЕЙНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ
В статье рассмотрены вопросы унификации, энергоэфективности и надежности утилизационного энергетического комплекса БУТЭК-0,5 на базе широко используемого на объектах ПАО «Газпром» ГПА-Ц-6,3. На основе длительного опыта эксплуатации энергетического комплекса выявлены конструкционные недостатки основного технологического узла комплекса – котла-утилизатора (КУ). Анализ конструкционных недостатков, а также комплекс экспериментально-аналитических исследований, проведенных специалистами ООО «Газпром трансгаз Москва», позволили внедрить ряд технических решений, основной задачей которых являлась возможность применения энергетического комплекса на базе ГПА-Ц-6,3 с любыми газотурбинными двигателями (ГТД) из мощностной линейки двигателей (НК-12СТ, НК-14СТ, Д-336). Также удалось повысить надежность и КПД всей установки, обеспечить ремонтопригодность комплекса. Следует отметить высокий потенциал возможности тиражирования технических решений при реализации проектов утилизационных энергетических комплексов на газоперекачивающих агрегатах (ГПА) линейных компрессорных станций (КС) ПАО «Газпром».
Ключевые слова: КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР, УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ, КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ, БЛОЧНЫЙ УТИЛИЗАЦИОННЫЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС.
Открыть PDF


Основным типом привода нагнетателя природного газа на КС ПАО «Газпром» в настоящее время является ГТД. КПД лучших образцов ГТД составляет 38–40 %, бóльшая часть ГТД эксплуатируется с КПД на уровне 30 %. Основная доля не превращенного в полезную работу тепла, выделившегося в камере сгорания двигателя, уносится с выхлопными газами ГТД с температурой 300–450 ºС. Вопрос вторичного использования тепла, уносимого выхлопными газами ГТД в условиях КС, разрабатывается достаточно давно. В настоящее время используется два основных направления:

  • получение горячей воды для обогрева объектов КС с помощью утилизаторов тепла, установленных на выхлопных устройствах ГТД ГПА. Это наиболее распространенный (массовый) способ;

  • получение перегретого пара для реализации в составе ГПА парогазового цикла. Полученный таким образом пар может использоваться в паровой турбине для привода электрогенератора собственных нужд КС или привода нагнетателя природного газа.

В ООО «Газпром трансгаз Москва» начиная с 1996 г. проводились опытно-конструкторские работы, результатом которых стали разработка проекта и последующая его реализация на КС «Чаплыгин» блочного утилизационного теплоэнергетического комплекса (БУТЭК) электрической мощностью 0,5 МВт – БУТЭК «Чаплыгин-0,5».

1_1_1.png

В качестве базового ГПА, который дорабатывался под использование парогазового цикла, был выбран ГПА-Ц-6,3 с двигателем НК-12СТ номинальной мощностью 6,3 МВт и КПД 24,5 %. Указанный тип ГПА и привода хорошо освоены промышленностью и широко распространены на КС ПАО «Газпром».

1_1.png

Конструктивно БУТЭК состоит из (рис. 1):

  • КУ производства ООО «Белэнергомаш», установленного на выхлопной шахте ГПА, подогреваемого выхлопными газами ГТД и вырабатывающего перегретый пар;

  • парового турбогенератора переменного трехфазного тока номинальной электрической мощностью 0,5 МВт и напряжением сети 0,4 кВ производства ООО «Калужский турбинный завод». В качестве рабочего тела – перегретый пар, выработанный КУ;

  • воздушно-конденсаторной установки пара производства ООО «Турбокон»;

  • комплекса вспомогательного тепломеханического оборудования, обеспечивающего работу комплекса.

В основу проектирования комплекса БУТЭК были положены следующие принципы:

  • простота;

  • блочная поставка;

  • электрическая мощность, достаточная для работы КС без внешней энергосистемы.

Выбранная изначально концепция использования в составе комплекса серийно выпускаемого надежного оборудования со средними параметрами работы позволила успешно построить комплекс и запустить в работу в ноябре 2001 г.

1_1_2.png

За время опытной эксплуатации с ноября 2001 г. по 1 января 2016 г. комплекс наработал 36 964 ч и выработал 95 556,4 тыс. КВт•ч электроэнергии, потребленной на КС «Чаплыгин». За указанный период комплекс показал в целом высокую надежность и эффективность работы.

За 15 лет эксплуатации КУ комплекса БУТЭК накоплен положительный опыт эксплуатации комплекса в целом, однако были выявлены следующие конструктивные недостатки в работе элементов котла:

  • заложенное проектом высокое гидродинамическое сопротивление котла потоку выхлопных газов ГТД величиной 1450 Па. В результате резко снизились эффективность охлаждения отсека двигателя ГПА и КПД ГТД;

  • частые повреждения сепараторов, установленных в барабане котла, вследствие высокой скорости движения пароводяной смеси в испарительных трубках;

  • высокое гидравлическое сопротивление внутреннего контура циркуляции котла, которое приводит к повышенной нагрузке на циркуляционные насосы;

  • расположение трубок котла между двух коллекторов исключает их самокомпенсацию при запуске в работу, нагрев трубок и их линейное расширение происходят быстрее, чем расположенных по их концам массивных коллекторов, из-за чего наблюдаются повышенные механические напряжения в трубках, приводящие к разрушению;

  • конструкция котла в целом и пароперегревателя в частности не рассчитана на высокую скорость прогрева элементов котла, характерную для запуска авиационного ГТД, что приводило к неоднократным разрушениям пароперегревателя и требовало принятия дополнительных мер (заполнение пароперегревателя водой перед запуском, что осложняет пуск комплекса при отрицательных температурах);

  • конструкция котла, рассчитанная на применение только одного типа двигателя, исключала использование других типов двигателей из линейки ГТД для ГПА-Ц-6,3, применяемых в ПАО «Газпром»;

  • необходимость полной разборки котла для дефектации элементов, замены дефектных трубок и восстановления работоспособности, что требует огромных трудозатрат и увеличивает время нахождения ГПА в вынужденном простое;

  • неудачная эргономика котла.

При планировании капитального ремонта КУ было принято решении о выполнении капитального ремонта с применением комплекта материальной части, изготовленной в заводских условиях, в соответствии с разработанными техническими требованиями.

Совместно с ОАО «Белэнергомаш БЗЭМ» (г. Белгород) был разработан проект, технические решения которого в полной мере удовлетворяли вышеуказанным требованиям. В 2015 г. на заводе был изготовлен комплект материальной части для ремонта КУ.
С декабря 2015 г. по июль 2016 г. на КС «Чаплыгин» были произведены работы по демонтажу элементов старого КУ, сборка элементов комплектной материальной части и монтаж КУ после ремонта (рис. 2).

В августе 2016 г. БУТЭК-0,5 был пущен в работу.
В таблице представлены результаты испытаний котла, проведенных после ремонта, в сравнении с данными до ремонта. Сравнительный анализ результатов, представленных в таблице, позволяет сделать следующий вывод: реализация технических решений позволила повысить КПД котла и существенно снизить противодавление выхлопным газам ГТД. При этом подтверждена работоспособность комплекса, способность выдавать требуемую электрическую мощность.

Для устранения принципиальных недостатков предыдущей конструкции котла были реализованы следующие технические решения:

  • расположение коллекторов с одной стороны котла позволило компенсировать тепловые расширения паровых трубок котла и тем самым снизить механические напряжения, возникающие при работе котла;

  • увеличение диаметров паровых трубок в котле позволило снизить гидравлическое сопротивление выхлопным газам котла и устранить негативные явления, снизив скорости движения пароводяной смеси;

  • размещение первой секции испарителя перед пароперегревателем позволило перераспределить интенсивность теплоотвода между испарителем и пароперегревателем, тем самым устранив возможность нерасчетного термического воздействия на трубки пароперегревателя в момент пуска ГТД;

  • применение байпасного газохода с максимально возможным проходным сечением с учетом массогабаритных ограничений существующего портала с установленным блоком регулируемых заслонок позволило устранить негативные явления, вызванные высокой скоростью нарастания температуры выхлопных газов при пуске авиационного конвертированного ГТД, осуществлять пробные пуски ГПА без запуска всего комплекса, а также реализовать возможность применения в составе комплекса не только ГТД НК-12СТ, но и более современных ГТД НК-14СТ и Д-336;

  • реализованная концепция изготовления котла из блоков, разделенных на модули, позволяет осуществлять ремонт котла отдельно демонтируемыми модулями, с возможностью предварительного заказа модулей, что повышает ремонтопригодность, снижает трудозатраты и сокращает финансовые вложения.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что внедренные оригинальные технические решения при капитальном ремонте комплекса БУТЭК на КС «Чаплыгин» ООО «Газпром трансгаз Москва»:

  • обеспечили работоспособность комплекса при параметрах пара, изначально заложенных в проект;

  • снизили гидравлическое сопротивление котла до уровня сопротивления штатных утилизаторов горячей воды, тем самым повысив КПД ГТД;

  • повысили ремонтопригодность котла;

  • повысили надежность работы комплекса;

  • обеспечили возможность применения всей линейки авиационных ГТД, широко применяемых в составе ГПА-Ц-6,3 НК-12СТ, НК-14СТ, Д-336;

  • обеспечили создание универсальной действующей модели перспективного комплекса утилизации тепла для унифицированных ГПА, в которых возможно применение приводных авиационных двигателей с различными параметрами.

Итогом этой работы является создание работоспособной конструкции, имеющей высокую надежность, а также перспективной унифицированной модели КУ для утилизационных энергетических комплексов. В целом полученный результат является аргументом для широкого применения парогазового цикла на линейных КС. 

 

Параметры КУ комплекса БУТЭК до и после капитального ремонта КУ

Наименование величины 

Режимы нагрузки комплекса БУТЭК

         

3

4

5

     

До КР

После КР

До КР

После КР

До КР

После КР

Активная электрическая мощность, кВт

300

240

340

370

510

440

Число оборотов ТК ГТД ГПА, об/мин

8200

8050

8010

8300

8450

8400

Статическое давление газов на входе в котел, кПа

0,60

0,25

0,541

0,28

0,78

0,30

Температура выхлопных газов на входе в котел, ºС

353

303

334

320

354

320

КПД котла, %

37

38,2

36,9

38,0

38,4

38,4

Эффективный КПД ГТД, %

23,6

24,4

23,7

24,5

23,9

24,8

 



← Назад к списку